空間光學系統技術大揭秘：太空之眼的「晶狀體」

空間光學成像系統是指在空間利用光學設備對空間和地球進行觀測與研究的系統，一般包括空間望遠鏡和對地觀測遙感系統。其中空間望遠鏡是因為地球的大氣層對許多波段光波的天文觀測影響很大，天文學家便將望遠鏡移到太空中，可以不受大氣層的干擾得到更精確的天文信息，而對地觀測遙感系統則是依託空間飛行器作為遙感平台，利用可見光、紅外光、微波等電磁波譜段對地球進行觀測的系統。

如果把空間光學成像系統看作是太空觀測體系的「眼睛」，那空間反射鏡就是眼睛的「晶狀體」。其口徑大小、材質種類、結構形式等對空間光學成像的解析度、靈敏度等性能水平起決定性作用。

圖1 眼睛成像示意圖

圖2 空間光學系統

圖3 地球觀測腦示意圖

一般來說，反射鏡口徑越大，成像效果就越好。但隨著反射鏡口徑的增大，光學系統的質量會急劇增加，使得衛星平台的難度增大，甚至超出火箭的運載能力。因此輕量化技術需要新的突破。

輕量化技術主要表現在材料、加工製造、結構設計等方面。理想的反射鏡材料應當具有低密度、高彈性模量、低熱膨脹係數、高熱導率、均勻微觀結構等特點。國際上常用的反射鏡基體材料有石英玻璃、超低膨脹石英玻璃、微晶玻璃、碳化硅、金屬鈹、聚合物薄膜以及碳纖維/碳化硅複合材料。

圖4 熔石英反射鏡

圖5 金屬鈹反射鏡

圖6 碳化硅反射鏡

圖7 碳纖維/碳化硅複合材料反射鏡

圖8 檢測中的反射鏡

*註：圖6-7為反射鏡輕量化背面結構，圖8為反射鏡正面，正面經拋光和改性後比我們平常看到的鏡面還要光亮，可反射可見光、紅外光等。

各式各樣使用反射鏡的空間光學系統

世界各國非常重視大口徑反射鏡的研製。目前歐空局的赫歇爾（Herschel）空間天文台反射鏡的尺寸已經達到3.5米，為空間望遠鏡之冠，由碳化硅陶瓷材料製成。美國在空間遙感系統的發展最為引人關注，其鎖眼12（KH-12）軍事偵查衛星反射鏡口徑達3米，以強化鋁材料為單元，對地解析度達0.1米。

遙感衛星在商業方面的應用非常廣泛，可以應用於地球觀測定位、國土普查、城市規劃、土地確權、路網設計、農作物估產和防災減災等領域。在商業遙感衛星領域，2001年美國DigitalGlobe公司的QuickBird-2號就做到了0.61米全色解析度，光學系統口徑0.6米，以微晶玻璃為材料；後來的美國GeoEye公司的Geoeye-1號達到了0.41米解析度，其成像系統所使用反射鏡口徑1.1米，以超低膨脹石英玻璃為材料；此後，DigitalGlobe公司的WorldView-2號也做到了0.46米解析度，2014年8月發射的高光譜的WorldView-3號衛星的解析度更是達到了0.31米，為商業遙感領域之冠，這兩顆遙感衛星的反射鏡口徑均為1.1米，以微晶玻璃為材料。

2017年11月2日，美國航天局正式宣布：韋布空間望遠鏡（JWST）經過20年努力終於建造完成。該望遠鏡口徑為6.5米，是史上最大紅外/光學空間望遠鏡。其反射鏡由金屬鈹製成，面密度小於15千克/平方米。在進行深度測試後，這架空間望遠鏡將計劃於2019上半年在法屬蓋亞那，通過歐空局的阿麗亞娜5號運載火箭發射升空，成為口徑2.4米的哈勃空間望遠鏡的接班人。

圖9 測試中的韋布空間望遠鏡鏡主鏡及在太空狀態示意圖

被歐美壟斷的反射鏡製造核心技術

在反射鏡基體製備技術方面，以美國的康寧（Corning）公司和德國肖特（Schott）公司為代表的傳統光學玻璃材料製造商研發的超低膨脹石英玻璃（ULE）和微晶玻璃（Zerodur）最為著名，他們已經具備製造4米級空間反射鏡基體的能力，例如哈勃空間望遠鏡的主鏡便使用了ULE材料。

不過，隨著空間對地觀測水平和要求的不斷提升，碳化硅材料已成為大口徑反射鏡的主流材料，在2000年以後獲得了廣泛應用。在碳化硅反射鏡研製方面，國際上主要由美國、法國、德國和日本的一些公司所控制。另外美國發展了一種超薄可控薄膜材料作為空間反射鏡材料，可實現超輕、超大口徑的光學系統。薄膜反射鏡根據不同的控制手段主要分為充氣膜反射鏡、靜電拉伸薄膜反射鏡及光致形變薄膜反射鏡。目前世界上最先進的薄膜反射鏡口徑可達3.6m，厚度52μm，面密度80g/m2。

目前，美國和以法國、德國為代表的歐洲仍然壟斷著大口徑反射鏡製造的核心技術。其中美國不僅在公司數量上多於歐洲，而且在生產能力、技術水平方面也遠勝於歐洲。

在20世紀90年代，我國1米以下口徑空間反射鏡材料一直依賴進口，以德國產微晶玻璃材料為主，也有碳化硅陶瓷材料。2000年後，中國科學院上海硅酸鹽研究所在國內率先開展了大口徑碳化硅陶瓷材料製備技術，哈爾濱工業大學、中國科學院長春光機所、國防科技大學分別在反應燒結碳化硅、碳纖維增強碳化硅的製造技術方面取得了一些進展。上海硅酸鹽所在2005年研製出滿足工程應用要求的520毫米碳化硅反射鏡。

與此同時，中國科學院南京天光所、北京理工大學、浙江大學、中國科學院長春光機所開展了大口徑反射鏡數控加工技術為代表的大口徑反射鏡加工技術研究。目前中國科學院南京天光所、成都光電所等單位都具備1.5m量級反射鏡光學加工能力。同時這些單位在碳化硅反射鏡檢測、表面改性、光學鍍膜等一系列技術方面也取得突破。歷經近三十年的時間，國內已將大口徑反射鏡的製造能力從0.5米提高到1.5米量級。

目前，上海硅酸鹽所是國際上僅有的2～3家可以研製1米以上口徑碳化硅反射鏡並實現型號應用的單位之一。從2009年以來，上海硅酸鹽所研製的碳化硅反射鏡已經應用於17顆衛星的24台航天遙感成像相機，並實現高可靠在軌運行，例如高解析度對地觀測衛星高分一號、二號、四號、九號，商業高解析度遙感衛星高景一號系列星，氣象衛星風雲四號，世界首顆量子科學實驗衛星墨子號等。

其中高分系列衛星主要用於地球觀測、國土普查、城市規劃、土地確權、路網設計、農作物估產和防災減災等領域。高分一號地面解析度（全色）優於2米，高分二、九號解析度優於1米，高分四號為目前世界上空間解析度最高（全色解析度50米）、幅寬最大（全色幅寬500千米）的地球同步軌道遙感衛星。2016年發射的高景一號01/02衛星由兩顆0.5米解析度的光學衛星組成，具有專業級的圖像質量、高敏捷的機動性、豐富的成像模式和高集成的電子系統等技術特點，打破了我國0.5米級商業遙感數據被國外壟斷的現狀，也標誌著國產遙感數據水平正式邁入國際一流行列。

圖10 高分四號衛星影像圖

2018年1月9日，高景一號03/04衛星成功發射，實現了高景一號四星組網，觀測效能大幅提高，可達全球任意地區一天內重訪，全球80%以上地區可實現每天兩次重訪，同時可實現「准實傳」，即邊拍邊傳，大幅提高在軌圖像傳輸效率。

圖11 高景一號衛星影像圖

風雲四號是2016年發射的地球同步軌道氣象衛星，可見光解析度500米，風雲四號的研製是遙感紅外光譜技術的一場革命，早先美國、歐洲都在朝這個方向努力，但在2006年由於技術難度過大，所需經費太多，美國放棄，歐洲也大幅度調整計劃，風雲四號是一顆領先於西方的氣象衛星，在國際上首次實現地球靜止軌道的大氣高光譜垂直探測，並與成像輻射計共平台，可聯合進行大氣多通道成像觀測和高光譜垂直探測。上海硅酸鹽所為這些衛星的研製提供了關鍵的光學系統反射鏡材料。

下一代空間反射鏡

在超大口徑空間輕量化複合材料反射鏡研製方面，美國、日本、歐洲已經著手布局。在美國的下一代空間望遠鏡研製計劃（NGST）中，亞利桑那大學為美國航天局馬歇爾空間中心研製了2米口徑超輕型空間反射鏡。該反射鏡採用碳纖維複合材料作為剛性基座，基座上安裝陣列排布的微位移器，微位移器上方是一層厚2毫米的超薄玻璃鏡片。反射鏡的面形精度可通過微位移器的電致伸縮在一定程度上實現能動調節。該反射鏡的總質量為40千克，面密度僅13千克/平方米，該研究計劃的最終目的是研製8米口徑空間反射鏡，設計總質量約623千克。此外，美國戈達德空間中心正在研製8米口徑的多片展開式反射鏡，洛克希德·馬丁（Lockheed Martin）公司也在研究6米口徑超薄展開式反射鏡。日本三菱公司與德國ECM公司合作開發了一種碳纖維/碳化硅複合材料（HB-CeSiC），計劃用在下一代中遠紅外空間望遠鏡SPICA的3.5米口徑空間反射鏡上。

碳纖維/碳化硅複合材料（C/SiC）是通過在碳化硅陶瓷基體中引入一定含量的高性能碳纖維，然後通過特定的製備工藝複合而成的陶瓷基複合材料。它既保留了碳化硅陶瓷的低密度、高比剛度、高熱導、耐高溫、耐腐蝕、耐輻照等優異性能，同時由於在碳化硅基體中引入了密度更低、強度更高、韌性更佳的高性能碳纖維材料，又表現出類似金屬材料的延性破壞特徵，使其可靠性得到大幅度提升。同時，由於增強性碳纖維的強韌化作用還克服了碳化硅基體脆性斷裂的失效行為，表現出了更優的輕量化加工特性。其優良的綜合力學性能和低密度有利於獲得更低面積密度。因此，新型超輕型碳化硅複合材料反射鏡將是未來跨尺度超大口徑空間反射鏡發展的趨勢之一。

在未來空間反射鏡的研製方面，我國也取得了巨大的進展。有資料顯示我國研製的單體碳化硅反射鏡鏡坯直徑已達4.03米，但未見工程應用的報道。我國C/SiC複合材料反射鏡的研究尚處於起步階段，目前從事相關研究的單位有中科院上海硅酸鹽研究所、哈爾濱工業大學和國防科技大學，國內目前已具備米級口徑複合材料反射鏡的研製能力。另外據新聞報道，2014年我國成都光電所首次完成了直徑400毫米的薄膜反射鏡研製，在國內首次實現了直徑400毫米的微結構薄膜望遠鏡寬波段（0.49μm至0.68μm）成像系統的成功研製。同時中科院光電技術研究所在科技部地球觀測與導航專項—「靜止軌道高解析度輕型成像相機系統技術」支持下，獲得了巨大技術突破，領先美國國防先進研究項目局接近5年的研製進度。目前，我國先進薄膜成像光學系統現階段正從原理樣機研製到工程樣機研製過渡，我國計劃於2020年前率先完成13米級薄膜成像光學系統研製，2025年之前實現衛星升空。

總之，我國超大口徑反射鏡的研究能力和裝備水平與國外先進水平相比還有一定的差距，開展超大口徑輕量化空間反射鏡研究已經迫在眉睫。

作者單位：中國科學院上海硅酸鹽研究所

本文經授權轉載自《科學大院》微信公眾號

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